Синтез элементов
Еще в начале 40-х годов идею Большого Взрыва пытались использовать для объяснения происхождения химических элементов. Американские исследователи Р. Альфер, Г. Гамов и Р. Герман предположили, что на самых ранних этапах своего существования Вселенная представляла собой сгусток сверхплотного нейтронного газа (или, как они его назвали, «илема»). Позже, однако, было показано, что ряд тяжелых элементов может образоваться в недрах звезд за счет циклов ядерных реакций, так что нужда в «илеме», казалось, отпала.
Уточнение химического состава Космоса вскоре привело к противоречию. Если подсчитать, сколько водорода в звездах нашей Галактики должно было за время ее существования (10 млрд. лет) «перегореть» в гелий, то окажется, что наблюдаемое количество гелия в 20 раз больше того, которое получается по теоретическим расчетам. Это означает, что источником образования гелия должен быть не только его синтез в недрах звезд, но и какие-то иные, весьма мощные процессы. В конце концов пришлось снова обратиться к идее Большого Взрыва и в нем искать источник избыточного гелия. На этот раз успех выпал на долю известных советских ученых академика Я. Б. Зельдовича и И. Д. Новикова, которые в серии обстоятельных работ подробно обосновали теорию Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной (Я. В. Зельдович, И. Д. Новиков. Строение и эволюция Вселенной. М., Наука, 1975 ). Основные положения этой теории сводятся к следующему.
Расширение Вселенной началось с очень большой плотности и очень высокой температуры. На заре своего существования Вселенная напоминала лабораторию высоких энергий и высоких температур. Но это, конечно, была лаборатория, не имеющая земных, аналогий.
Само «начало» Вселенной, т. е. ее состояние, соответствующее, по теоретическим расчетам, радиусу, близкому к нулю, ускользает пока даже от теоретического представления. Дело в том, что уравнения релятивистской астрофизики сохраняют силу до плотности порядка 10 93 г/см3. Сжатая до такой плотности Вселенная когда-то имела радиус порядка одной десятибиллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном! Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 10 51 тонн, была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 10 32 градусам. Такой Вселенная была спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» и плотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало», применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой, для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл. Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можем представить себе, что было до условного «начала» Вселенной.
В нашей жизни секунда - ничтожный интервал. В первые же моменты жизни Вселенной (условно отсчитываемой от «начала»), уже на протяжении первой секунды развернулось множество событий. Термин «расширение» тут кажется слишком слабым и потому неуместным. Нет, это было не расширение, а сильнейший по мощности взрыв.
К исходу одной стотысячной доли секунды после «начала» Вселенная в своем микрообъеме заключала смесь элементарных частиц: нуклонов и антинуклонов, электронов и позитронов, а также мезонов, квантов света (фотонов). В этой смеси, по мнению Я. Б. Зельдовича, вероятно, присутствовали гипотетические (пока) гравитоны и кварки (Гравитоны и кварки - гипотетические частицы; взаимодействие гравитонов с другими частицами обусловливает гравитационное поле (это кванты гравитационного поля); кварки - «основные кирпичики», комбинации которых дают все многообразие частиц. На обнаружение кварков затрачено много сил и средств, но они до сих пор не найдены ), но главная роль все же, по-видимому, принадлежала нейтрино.
Когда «возраст» Вселенной составлял одну десятитысячную долю секунды, ее средняя плотность (10 14 г/см3) была уже близка к плотности атомных ядер, а температура снизилась примерно до нескольких биллионов градусов. К этому времени нуклоны и антинуклоны уже сумели аннигилировать, т. е. взаимно уничтожиться, превратившись в кванты жесткого излучения. Сохранялось лишь и множилось количество нейтрино, рождавшихся при взаимодействии частиц, так как нейтрино наиболее слабо взаимодействуют с другими частицами. Это растущее «море» нейтрино изолировало друг от друга наиболее долго живущие частицы - протоны и нейтроны и обусловило превращение протонов и нейтронов друг в друга и рождение электрон-по-зитронных пар. Неясно, чем обусловлено последующее преобладание в нашем мире частиц и незначительное количество античастиц. Возможно, почему-либо имела место изначальная асимметрия: число античастиц всегда было меньше числа частиц, либо, как полагают некоторые ученые,благодаря не известному пока механизму разделения частицы и античастицы отсортиро-вались, сконцентрировавшись в разных частях Вселенной, а античастицы где-то так же преобладают (как в нашем мире преобладают частицы), образуя антимир.
По словам Я. Б. Зельдовича, «на сегодняшний момент во Вселенной остались кванты, которые мы наблюдаем, а также нейтрино и гравитоны, которые современными средствами мы наблюдать не можем и, вероятно, не сможем еще много лет».
Продолжим цитату:
«Итак, с течением времени во Вселенной все частицы «вымирают», остаются только кванты. С точностью до одной стомиллионной это правильно. Но в действительности на каждые сто миллионов квантов приходится один протон или нейтрон. Эти частицы сохраняются потому, что им - оставшимся частицам - не с чем аннигилировать (вначале нуклоны, протоны и нейтроны аннигилировали со своими античастицами). Их мало, но именно из этих частиц, а не из квантов состоят Земля и планеты, Солнце и звезды» (Земля и Вселенная, 1969, № 3, с. 8 (Я. Б. Зельдович. Горячая Вселенная) ).
Когда возраст Вселенной достиг трети секунды, плотность снизилась до 10 7 г/см3, а температура - до 30 млрд. градусов. В этот момент, по выражению академика В. Л. Гинзбурга, нейтрино отрываются от нуклонов и в дальнейшем уже не поглощаются ими. Сегодня эти «первичные», странствующие в космическом пространстве нейтрино должны обладать энергией всего в несколько десятитысячных долей электронволь-та. Фиксировать такие нейтрино мы не умеем: для этого чувствительность современной аппаратуры надо увеличить в сотни тысяч раз. Если когда-нибудь это удастся сделать, «первичные» нейтрино принесут нам ценную информацию о первой секунде жизни Вселенной.
К исходу первой секунды Вселенная увеличилась до размеров, примерно в сто раз превышающих размеры современной Солнечной системы, поперечник которой равен 15 млрд. км. Теперь уже плотность ее вещества составляет 1 т/см3, а температура - около 10 млрд. градусов. Здесь еще ничто не напоминает современный космос. Отсутствуют привычные нам атомы и атомные ядра, нет и стабильных элементарных частиц.
Всего 0,9 секунды ранее при температуре 100 млрд. градусов протонов и нейтронов было поровну. Но при снижении температуры более тяжелые нейтроны распадались на протоны, электроны и нейтрино. Значит, число протонов во Вселенной неуклонно росло, а количество нейтронов уменьшалось.
Возраст Вселенной - три с половиной минуты. Теоретические расчеты фиксируют для этого момента температуру в 1 млрд. градусов и плотность уже в сто раз меньше плотности воды. Размеры Вселенной всего за три с половиной минуты возросли почти от нуля до 40 св. лет (Для расширения пространства скорость света не является предельной ). Создались условия, при которых протоны и нейтроны стали объединяться в ядра самых легких элементов, преимущественно водорода. Наступает некоторая стабилизация, и к концу четвертой минуты от начала «первовзрыва» Вселенная по массе состояла из 70% водорода и 30% гелия. Вероятно, таким же был первоначальный состав самых древних звезд. Более тяжелые элементы возникли позже в результате тех процессов, которые совершаются в звездах.
Дальнейшая история Вселенной более спокойна, чем ее бурное начало. Темп расширения постепенно замедлился, температура, как и средняя плотность, постепенно снижалась, и когда Вселенной исполнился миллион лет, ее температура стала настолько низкой (3500 градусов по Кельвину), что протоны и ядра атомов гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы. С этого момента, по существу, начинается современный этап эволюции Вселенной. Возникают галактики, звезды, планеты. В конце концов через много миллиардов лет Вселенная стала такой, какой мы ее видим.
Возможно, некоторые из читателей, пораженные колоссальными, далекими от привычной реальности числами, подумают, что нарисованная в самых общих чертах история Вселенной есть лишь теоретическая абстракция, далекая от действительности. Но это не так. Теория раширяющейся Вселенной объясняет разбегание галактик. Она подтверждается многими современными данными о космосе. Наконец, недавно было найдено еще одно очень убедительное опытное подтверждение сверхгорячего состояния древней Вселенной.
Первичная плазма, которая изначально заполняла Вселенную, состояла из элементарных частиц и квантов излучения, или фотонов, - это был так называемый фотонный газ. Первоначально плотность излучения в «микровселенной» была очень велика, но по мере ее расширения «фотонный газ» постепенно охлаждался. Так охлаждался бы горячий воздух внутри какого-нибудь непрерывно расширяющегося замкнутого объема.
Ныне от первичного «жара» должны были бы остаться лишь трудноуловимые следы. Энергия квантов первичного «фотонного газа» снизилась до величины, отвечающей температуре всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Ныне первичный «фотонный газ» должен излучать наиболее интенсивно в сантиметровом радиодиапазоне.
Таковы теоретические прогнозы. Но они подтверждаются наблюдениями. В 1965 г. американские радиофизики обнаружили шумовое радиоизлучение на волне 7,3 см. Это излучение равномерно поступало из всех точек небосвода и явно не было связано с каким-нибудь дискретным космическим радиоисточником. Не повинны в нем и земные радиостанции, и помехи, порождаемые радиоаппаратурой.
Так было открыто реликтовое излучение Вселенной, остаток ее первичной невообразимо высокой температуры. Тем самым получила подтверждение «горячая» модель первичной Вселенной, теоретически рассчитанная Я. Б. Зельдовичем и его учениками.
Итак, судя по всему, Вселенная родилась в результате мощнейшего «первовзрыва». Из ничтожно малого по объему, но сверхтяжелого, сверхплотного, сверхгорячего сгустка вещества и излучения за несколько миллиардов лет возникло то, что ныне мы именуем Космосом.
Когда из очень малого, но невообразимо плотного сгустка вещества Вселенная расширилась до космических размеров, исполинский, еще очень горячий и сверхплотный шар ее, вероятно, распался на множество «осколков». Это могло быть следствием, например, неоднородности шара и различной скорости процессов, в нем происходивших.
Каждый из «осколков», состоявший из дозвездной материи с громадными запасами энергии, в свою очередь со временем распадался. Возможно, что продуктами распада и были квазары - зародыши галактик. Как полагают академик В. А. Амбарцумян и другие исследователи, в ядрах квазаров (а равно и в ядрах галактик) сосредоточено дозвездное вещество, свойства которого мы пока не можем определить, а внешние их слои состоят из плазмы и газов, плотность которых всего лишь в несколько раз выше, чем плотность материи в галактиках. Если это так, то надо признать, что «первовзрыв» и последующие, вторичные взрывы выбрасывали в пространство не только «осколки» дозвездного вещества, но и диффузную материю - плазму, газы, из которых формировалась пылевая материл. При этом надо думать, что первоначальное содержание газопылевой материи во Вселенной было значительно более высоким, чем ныне.
Как бы то ни было, по нашим современным представлениям, вплоть до стадии появления галактик во Вселенной преобладали взрывные процессы. Но как мы видели, взрывные процессы характерны и для стадии галактик, хотя интенсивность их уменьшается в процессе эволюции галактик - от бурных проявлений энергии в галактиках Маркаряна и Сейферта до спокойного истечения материи из ядер таких галактик, как наша. Таким образом, теория расширяющейся Вселенной, возможно, смыкается с концепцией академика Амбарцумяна, который, основываясь на собственных открытиях и открытиях своих сотрудников, а также на трудах зарубежных астрономов, распространяет идею созидающего взрыва и на процессы звездообразования. Согласно этой концепции, и все известные нам космические объекты (галактики, звезды, газопылевые туманности) рождаются в процессе взрыва из сверхплотных, начиненных огромными запасами энергии сгустков дозвездного вещества. Потому-то звезды и возникают в виде разлетающейся, первоначально компактной группы, состоящей из многих тысяч или миллионов звезд. Автору эта гипотеза кажется наиболее вероятной из всех других, а потому он предлагает следующую «родословную» всех космических объектов.
«Первоатом», т. е. Вселенная в первичном сверхплотном состоянии, и первичный огненный шар - ее самые далекие предки, давшие, конечно, кроме планет почти бесчисленное потомство всех космических объектов.
Какой-то фрагмент огненного шара, возможно, стал зачаточным ядром нашей Галактики и со временем обзавелся звездным населением. Это зачаточное галактическое ядро и, вероятно, отпочковавшаяся от него звездная ассоциация, в которую входило Солнце, - следующие, более близкие к нам по времени «родственники» Земли.
Предложенная схема эволюции космоса от «перво-атома» к звездам - лишь гипотеза, подлежащая дальнейшей разработке и проверке. Пока никакой теории превращения гипотетической «дозвездной материи» в наблюдаемые космические объекты не существует, и это обстоятельство - одно из уязвимых мест в концепции В. А. Амбарцумяна.
С другой стороны, рождение звезд путем конденсации разреженной газопылевой материи нельзя считать абсолютно невозможным, наоборот, до сих пор большинство астрономов придерживается подобной «конденсационной» гипотезы. Гигантские скопления газопылевой материи, возможно, возникли на стадии «вторичных» взрывов «осколков первовзрыва». Можно полагать, что распределение вещества в них было поначалу неравномерным. Некоторое общее вращение таких скоплений порождает, вероятно, в них мощные магнитные поля, благодаря чему структура газопылевых облаков могла стать волокнистой. Под воздействием гравитационных сил в расширениях (узлах) этих «волокон» и могла начаться концентрация материи, приводившая к возникновению целых семейств звезд.
Этой концепции пока придерживается большинство исследователей, хотя и она имеет свои слабые стороны. Вполне допустимо, что обе концепции («взрывная» и «конденсационная») вовсе не исключают, а дополняют друг друга: ведь при распаде дозвездной материи возникают не только звезды, но и туманности. Может быть, вещество этих туманностей когда-нибудь послужит (или уже много раз служило) исходным материалом для конденсации звезд и планет? Лишь будущие исследования смогут внести полную ясность в этот вопрос.
Теория Большого Взрыва, разработанная Я. Б. Зельдовичем и Н. Д. Новиковым, отлично объяснила «избыток» гелия во Вселенной. По их недавним расчетам, уже спустя 100 секунд после начала расширения водорода во Вселенной было 70%, гелия - около 30%. Остальной гелий и более тяжелые элементы появились в ходе эволюции звезд.
Несмотря на этот большой успех, горизонты теории Большого Взрыва отнюдь не безоблачны. За последнее время открыт ряд фактов, не укладывающихся в рамки этой теории (Подробнее см. в кн.: В. П. Чечев, Я. М. Крамаровский. Радиоактивность и эволюция вселенной. М., Наука, 1978 ). Так, например, известны галактики, явно физически связанные между собой и находящиеся от нас на равном расстоянии, но имеющие при этом существенно различающиеся (иногда в 13 раз!) «красные смещения». Непонятно и другое: почему на одном и том же расстоянии спиральные галактики имеют всегда большие «красные смещения», чем эллиптические галактики. По некоторым данным получается, что в разных направлениях скорость расширения, «распухания» Вселенной неодинакова, что противоречит сложившимся до сих пор представлениям о строго «сферической» форме расширяющегося мира?
Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расширяющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду. Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета (Подробнее см. в кн.: Развитие методов астрономических исследований (А. А. Ефимов. Астрономия и принцип относительности). М., Наука, 1979, с. 545 ).
Как преодолеть эти трудности, пока неясно. Если окажется, что «красное смещение» в спектрах галактик вызвано не эффектом Доплера, а каким-то иным, пока не известным нам процессом, нарисованная схема происхождения химических элементов может оказаться неверной. Однако скорее всего Большой Взрыв не иллюзия, а реальность, и теория «горячей» расширяющейся Вселенной есть одно из важнейших достижений науки XX века.
В заключение заметим, что каких бы взглядов на эволюцию Вселенной ни придерживаться, остается незыблемым бесспорный факт - мы живем в химически нестабильном Мире, состав которого непрерывно меняется.
, плутоний), в фотосферах звёзд (технеций и, возможно, прометий), в оболочках сверхновых (калифорний и, вероятно, продукты его распада - берклий , кюрий , америций и более лёгкие).
Последним из элементов, найденным в природе до того, как он был синтезирован искусственно, стал франций (1939 год). Первым синтезированным химическим элементом был технеций в 1937 году . По состоянию на 2012 год , синтезированы ядерным слиянием или распадом элементы до унуноктия с атомным номером 118, а также предпринимались попытки синтеза следующих сверхтяжёлых трансурановых элементов. Синтез новых трансактиноидов и суперактиноидов продолжается.
Наиболее известными лабораториями, синтезировавшими по несколько новых элементов и несколько десятков или сотен новых изотопов , являются Национальная лаборатория им. Лоуренса в Беркли и Ливерморская национальная лаборатория (США), в г. Дубна (СССР /Россия), Европейский (Германия), Кавендишская лаборатория Кембриджского университета (Великобритания), (Япония) и другие В последние десятилетия над синтезом элементов в американских, немецком и российском центрах работают международные коллективы.
Открытие синтезированных элементов по странам
СССР, Россия
США
Германия
Спорные приоритеты и совместные результаты
Для ряда элементов приоритет равноутверждён согласно решению совместной комиссии ИЮПАК и ИЮПАП или остаётся спорным :
США и Италия
Россия и Германия
Россия и Япония
Напишите отзыв о статье "Синтезированные химические элементы"
Примечания
Ссылки
| 30px | [[ в Викицитатнике |
|---|---|
| [[Ошибка Lua в Модуль:Wikidata/Interproject на строке 17: attempt to index field "wikibase" (a nil value). |Синтезированные химические элементы]] в Викитеке | |
| 30px | [{{localurl:Commons:Category:Ошибка Lua: callParserFunction: function "#property" was not found. }}?uselang=ru Синтезированные химические элементы] на Викискладе |
- О синтезе элементов на сайте «Атомная и космическая отрасли России» , ,
- О синтезе элементов на сайте «Виртуальная таблица Менделеева» ,
- О синтезе элементов на сайте , ,
Отрывок, характеризующий Синтезированные химические элементы
– Что будем с делать с ними? – судорожно вздохнув, показала на сбившихся в кучку малышей, Стелла. – Оставлять здесь никак нельзя.Я не успела ответить, как прозвучал спокойный и очень грустный голос:
– Я с ними останусь, если вы, конечно, мне позволите.
Мы дружно подскочили и обернулись – это говорил спасённый Марией человек... А мы как-то о нём совершенно забыли.
– Как вы себя чувствуете? – как можно приветливее спросила я.
Я честно не желала зла этому несчастному, спасённому такой дорогой ценой незнакомцу. Это была не его вина, и мы со Стеллой прекрасно это понимали. Но страшная горечь потери пока ещё застилала мне гневом глаза, и, хотя я знала, что по отношению к нему это очень и очень несправедливо, я никак не могла собраться и вытолкнуть из себя эту жуткую боль, оставляя её «на потом», когда буду совсем одна, и, закрывшись «в своём углу», смогу дать волю горьким и очень тяжёлым слезам... А ещё я очень боялась, что незнакомец как-то почувствует моё «неприятие», и таким образом его освобождение потеряет ту важность и красоту победы над злом, во имя которой погибли мои друзья... Поэтому я постаралась из последних сил собраться и, как можно искреннее улыбаясь, ждала ответ на свой вопрос.
Мужчина печально осматривался вокруг, видимо не совсем понимая, что же здесь такое произошло, и что вообще происходило всё это время с ним самим...
– Ну и где же я?.. – охрипшим от волнения голосом, тихо спросил он. – Что это за место, такое ужасное? Это не похоже на то, что я помню... Кто вы?
– Мы – друзья. И вы совершенно правы – это не очень приятное место... А чуть дальше места вообще до дикости страшные. Здесь жил наш друг, он погиб...
– Мне жаль, малые. Как погиб ваш друг?
– Вы убили его, – грустно прошептала Стелла.
Я застыла, уставившись на свою подружку... Это говорила не та, хорошо знакомая мне, «солнечная» Стелла, которая «в обязательном порядке» всех жалела, и никогда бы не заставила никого страдать!.. Но, видимо, боль потери, как и у меня, вызвала у неё неосознанное чувство злости «на всех и вся», и малышка пока ещё не в состоянии была это в себе контролировать.
– Я?!.. – воскликнул незнакомец. – Но это не может быть правдой! Я никогда никого не убивал!..
Мы чувствовали, что он говорит чистую правду, и знали, что не имеем права перекладывать на него чужую вину. Поэтому, даже не сговариваясь, мы дружно заулыбались и тут же постарались быстренько объяснить, что же здесь такое по-настоящему произошло.
Человек долгое время находился в состоянии абсолютного шока... Видимо, всё услышанное звучало для него дико, и уж никак не совпадало с тем, каким он по-настоящему был, и как относился к такому жуткому, не помещающемуся в нормальные человеческие рамки, злу...
– Как же я смогу возместить всё это?!.. Ведь никак не смогу? И как же с этим жить?!.. – он схватился за голову... – Скольких я убил, скажите!.. Кто-нибудь может это сказать? А ваши друзья? Почему они пошли на такое? Ну, почему?!!!..
– Чтобы вы смогли жить, как должны... Как хотели... А не так, как хотелось кому-то... Чтобы убить Зло, которое убивало других. Потому, наверное... – грустно сказала Стелла.
– Простите меня, милые... Простите... Если сможете... – человек выглядел совершенно убитым, и меня вдруг «укололо» очень нехорошее предчувствие...
– Ну, уж нет! – возмущённо воскликнула я. – Теперь уж вы должны жить! Вы что, хотите всю их жертву свести на «нет»?! Даже и думать не смейте! Вы теперь вместо них будете делать добро! Так будет правильно. А «уходить» – это самое лёгкое. И у вас теперь нет больше такого права.
Незнакомец ошалело на меня уставился, видимо никак не ожидая такого бурного всплеска «праведного» возмущения. А потом грустно улыбнулся и тихо произнёс:
– Как же ты любила их!.. Кто ты, девочка?
У меня сильно запершило в горле и какое-то время я не могла выдавить ни слова. Было очень больно из-за такой тяжёлой потери, и, в то же время, было грустно за этого «неприкаянного» человека, которому будет ох как непросто с эдакой ношей существовать...
– Я – Светлана. А это – Стелла. Мы просто гуляем здесь. Навещаем друзей или помогаем кому-то, когда можем. Правда, друзей-то теперь уже не осталось...
– Прости меня, Светлана. Хотя наверняка это ничего не изменит, если я каждый раз буду у вас просить прощения... Случилось то, что случилось, и я не могу ничего изменить. Но я могу изменить то, что будет, правда ведь? – человек впился в меня своими синими, как небо, глазами и, улыбнувшись, горестной улыбкой, произнёс: – И ещё... Ты говоришь, я свободен в своём выборе?.. Но получается – не так уж и свободен, милая... Скорее уж это похоже на искупление вины... С чем я согласен, конечно же. Но это ведь ваш выбор, что я обязан жить за ваших друзей. Из-за того, что они отдали за меня жизнь.... Но я об этом не просил, правда ведь?.. Поэтому – это не мой выбор...
34.Строение химических элементов, синтез трансурановых элементов.
В 1861 году выдающийся русский химик А.М.Бутлеров
создал и обосновал теорию химического строения вещества, согласно
которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в
молекулах и их взаимным влиянием. В 1869 году Д.И.Менделеев открыл9
один из фундаментальных законов естествознания - периодический закон
химических элементов, современная формулировка которого такова:
свойства химических элементов находятся в периодической зависимости от электрического заряда их ядер.
35.Атомно-молекулярный «конструктор» строения вещества. Различие физического и химического подходов в изучении свойств вещества.
Атомом называется наименьшая частица данного химического элемента. Все существующие в природе атомы представлены в периодической системе элементов Менделеева.
Атомы соединяются в молекулу за счет химических связей, основанных на электрическом взаимодействии. Число атомов в молекуле может быть разным. Молекула может состоять из одного атома, из двух, трех и даже нескольких сотен атомов.
Примером двухатомных молекул могут служить СО, NO, O 2 , H 2 , трехатомных – CO 2 , H 2 O, SO 2 , четырехатомных – NH 3 . Таким образом, молекула состоит из одного или нескольких атомов одного или разных химических элементов.
Можно определить молекулу как наименьшую частицу данного вещества, обладающую его химическими свойствами. Между молекулами любого тела существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания. Силы притяжения обеспечивают существование тела как целого. Для того чтобы разделить тело на части, необходимо приложить значительные усилия. Существование сил отталкивания между молекулами обнаруживается при попытке сжать тело.
40.Основные задачи космологии. Решение вопроса о происхождении Вселенной на разных этапах развития цивилизации.
Космология занимается изучением физических свойств Вселенной как целого. В частности, ее целью является создание теории всей охваченной астрономическими наблюдениями области пространства, которую принято называть Метагалактикой.
Как известно, теория относительности приводит к выводу о том, что присутствие больших масс влияет на свойства пространства - времени. Свойства привычного на евклидова пространства (например, сумма углов треугольника, свойства параллельных линий) вблизи больших масс изменяются или, как говорят, пространство "искривляется". Это искривление пространства, создаваемое отдельными массами (например, звездами), очень мало.
Так, следует ожидать, что вследствие искривления пространства луч света вблизиСолнца должен изменить свое направление. Точные измерения положений звезд вблизи Солнца но время полных солнечных затмений позволяют уловить этот эффект, правда, на пределе точности измерений.
Однако суммарное действие гравитирующих (т.е. обладающих притяжением) масс всех галактик и сверхгалактик может вызвать определенную кривизну пространства в целом, что существенным образом повлияет на его свойства, а следовательно, и на эволюцию всей Вселенной.
Даже сама постановка задачи определения (на основе законов теории относительности) свойств пространства и времени при произвольном распределении масс чрезвычайно трудна. Поэтому обычно рассматриваются некоторые приближенные схемы, называемые моделями Вселенной.
Самые простые из них основаны на предположении, что вещество во Вселенной в больших масштабах распределено одинаково (однородность), а свойства пространства одинаковы по всем направлениям (изотропность). Такое пространство должно обладать некоторой кривизной, а соответствующие ему модели называются
однородными изотропными моделями Вселенной.
Решения эйнштейновских уравнений тяготения для случая однородной изотропной
модели показывают, что расстояния между отдельными неоднородностями, если
исключить их индивидуальные хаотические движения (пекулярные скорости), не могут сохраняться постоянными: Вселенная должна либо сжиматься, либо, что
соответствует наблюдениям, расширяться. Если отвлечься от пекулярных скоростей
галактик, то скорость взаимного удаления любых двух тел во Вселенной тем больше, чем больше расстояние между ними. Для относительно малых расстояний эта зависимость линейна, причем коэффициентом пропорциональности служит постоянная Хаббла. Из сказанного следует, что расстояние между любой парой тел есть функция времени. Вид этой функции зависит от знака кривизны пространства. Если кривизна отрицательна, то "Вселенная" все время расширяется. При нулевой кривизне, соответствующей; евклидову пространству, расширение происходит с замедлением, причем скорость расширения стремится к нулю. Наконец, расширение "Вселенной", обладающей положительной кривизной, в некоторую эпоху должно смениться сжатием.
В последнем случае в силу неевклидовой геометрии пространство должно быть
конечным, т.е. иметь в любой момент времени определенный конечный объем,
конечное число звезд, галактик и т.д. Однако "границ" у Вселенной, естественно,
не может быть ни в каком случае.
Двумерной моделью такого замкнутого трехмерного пространства является
поверхность раздуваемого шара. Галактики в такой модели изображаются плоскими
фигурами, начерченными на поверхности. При растяжении шара увеличивается площадь поверхности и расстояние между фигурами. Хотя в принципе такой шар может неограниченно расти, площадь его поверхности конечна в каждый момент времени.
Тем не менее в его двумерном пространстве (поверхности) границ нет. Кривизна пространства в однородной изотропной модели за-висит от значения средней плотности вещества Если плотность меньше некоторого критического значения, кривизна отрицательна и имеет место первый случай. Второй случай (нулевая кривизна) осуществляется при критическом значении плотности. Наконец, при плотности больше критической ¾ кривизна положительна (третий случай). В процессе расширения абсолютное значение кривизны может меняться, но знак ее
остается постоянным.
Критическое значение плотности выражается через постоянную Хаббла Н и гравитационную постоянную f следующим образом: при Н = 55 км/сек × Мпс, r кр = 5 × 10-30 г/см3 Учет всех известных в Метагалактике масс приводит к оценке средней плотности около 5×10-31 г/см3
Однако это заведомо нижний предел, так как еще не известна масса невидимой среды между галактиками. Поэтому имеющаяся оценка плотности не дает оснований судить о знаке кривизны реального пространства.
В принципе возможны другие пути эмпирического выбора наиболее реальной модели Вселенной на основе определения красного смещения наиболее далеких объектов (от которых свет, дошедший до нас, был испущен сотни миллионов и миллиарды лет назад) и сопоставления этих скоростей с расстояниями до объектов, найденными другими методами. Фактически таким путем из наблюдении определяется изменение во времени скорости расширения. Современные наблюдения еще не настолько точны, чтобы можно было уверенно судить о знаке кривизны пространства. Можно сказать только, что кривизна пространства Вселенной близка к нулю.
Постоянная Хаббла, играющая такую важную роль в теории однородной изотропной
Вселенной, имеет любопытный физический смысл. Чтобы пояснить его, следует
обратить внимание на то, что обратная величина 1 / H имеет размерность времени и
равна 1/H = 6×1017 сек или 20 миллиардам лет. Легко сообразить, что это есть
промежуток времени, необходимый для расширения Метагалактики до современного состояния при условии, что в прошлом скорость расширения не менялась. Однако вопрос о постоянстве этой скорости, о предшествующей и последующей (по отношению к современной) стадиях расширения Вселенной еще плохо изучен.
Подтверждением того, что Вселенная действительно когда-то находилась в некотором особом состоянии, является открытое в 1965 г. космическое радиоизлучение, названное реликтовым (т.е. остаточным). Его спектр тепловой и воспроизводит кривую Планка для температуры около 3 ёК. [Заметим, что согласно формуле максимум такого излучения приходится на длину волны около 1 мм, близкую к доступному для наблюдений с Земли диапазону электромагнитного спектра.
Отличительной чертой реликтового излучения является одинаковость его
интенсивности по всем направлениям (изотропность). Именно этот факт и позволил выделить столь слабое излучение, которое не удавалось связать ни с каким объектом или областью на небе.
Название "реликтовое" дано потому, что это излучение должно быть остатком
излучения Вселенной, существовавшего в эпоху большой ее плотности, когда она
была непрозрачна к собственному излучению. Расчет показывает, что это должно
было иметь место при плотности r > 10-20 г/см3 (средняя концентрация атомов
порядка 104 см -3), т.е. когда плотность в миллиард раз превышала современную.
Поскольку плотность меняется обратно пропорционально кубу радиуса, то, полагая
расширение Вселенной в прошлом таким же, как и сейчас, получим, что в эпоху
непрозрачности все расстояния во Вселенной были в 1000 раз меньше. Во столько же раз была меньше и длины волны l . Поэтому кванты, имеющие сейчас длину волны 1мм, ранее имели длину волны около 1 мк, соответствующую максимуму излучения при температуре около 3000 ёК.
Таким образом, существование реликтового излучения является не только указанием на большую плотность Вселенной в прошлом, но и на ее высокую температуру ("горячая" модель Вселенной).
О том, была ли Вселенная в еще более плотных состояниях, сопровождавшихся
значительно более высокими температурами, в принципе можно было бы судить на
основании аналогичного изучения реликтовых нейтрино. Для них непрозрачность
Вселенной должна наступить при плотностях r " 107 г/см3 что могло быть только
на сравнительно очень ранних этапах развития Вселенной. Как и в случае
реликтового излучения, когда вследствие расширения Вселенная переходит в
состояние с меньшей плотностью, нейтрино перестают взаимодействовать с остальным веществом, как бы "отрываются" от него, и в дальнейшем претерпевают только космологическое красное смещение, обусловленное расширением. К сожалению, регистрация таких нейтрино, которые в настоящее время должны обладать энергией всего лишь в несколько десятитысячных долей электрон-вольт, вряд ли сможет быть осуществлена в скором времени.
Космология в принципе позволяет получить представление о наиболее общих
закономерностях строения и развития Вселенной. Легко понять, какое огромное
значение имеет этот раздел астрономии для формирования правильного
материалистического мировоззрения. Изучая законы всей Вселенной в целом, мы еще глубже познаем свойства материи, пространства и времени. Некоторые из них,
например, свойства реального физического пространства и времени в больших
масштабах, можно изyчить только в рамках космологии. Поэтому ее результаты имеют важнейшее значение не только для астрономии и физики, которые получают возможность уточнить свои законы, но и для философии, приобретающей обширный материал для обобщения закономерностей материального мира.
Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?
Алексей Левин
Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента — от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.
Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов — нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.
Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.
Первый искусственный
Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.
Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально — это 2, 8, 20 и 28.
Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически — правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева — минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.
Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого — искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Легкие снаряды
Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.
Следующий, 94-й элемент — плутоний — впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.
Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.
60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения — берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний — двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.
Тяжелые ионы
Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 — фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).
Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 — в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.
В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения — например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов — от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов — с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.
Всего три атома
118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) — 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 — единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.
«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, — вспоминает Кентон Муди. — Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».
«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, — объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. — Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой — кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов — сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку — ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов — удовольствие не из дешевых». На фото: при попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.
Мафусаил номер 117
Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже — в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.
В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа — 14 миллисекунд, а более тяжелого — целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже — несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).
Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.
Из 26 известных в настоящее время трансурановых элементов 24 не встречаются на нашей планете. Они были созданы человеком. Как же синтезируют тяжелые и сверхтяжелые элементы?
Первый список из тридцати трех предполагаемых элементов, «Таблицу субстанций, принадлежащих всем царствам природы, которые могут считаться простейшими составными частями тел», опубликовал Антуан Лоран Лавуазье в 1789 году. Вместе с кислородом, азотом, водородом, семнадцатью металлами и еще несколькими настоящими элементами в нем фигурировали свет, теплород и некоторые окислы. А когда 80 лет спустя Менделеев придумал Периодическую систему, химики знали 62 элемента. К началу XX века считалось, что в природе существуют 92 элемента - от водорода до урана, хотя некоторые из них еще не были открыты.Тем не менее уже в конце XIX века ученые допускали существование элементов, следующих в таблице Менделеева за ураном (трансуранов), но обнаружить их никак не удавалось. Сейчас известно, что в земной коре содержатся следовые количества 93-го и 94-го элементов - нептуния и плутония. Но исторически эти элементы сначала получили искусственно и лишь потом обнаружили в составе минералов.
Из 94 первых элементов у 83 имеются либо стабильные, либо долгоживущие изотопы, период полураспада которых сравним с возрастом Солнечной системы (они попали на нашу планету из протопланетного облака). Жизнь остальных 11 природных элементов много короче, и потому они возникают в земной коре лишь в результате радиоактивных распадов на краткое время. А как же все остальные элементы, от 95-го до 118-го? На нашей планете их нет. Все они были получены искусственным путем.
Первый искусственный
Создание искусственных элементов имеет долгую историю. Принципиальная возможность этого стала понятна в 1932 году, когда Вернер Гейзенберг и Дмитрий Иваненко пришли к выводу, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Два года спустя группа Энрико Ферми попыталась получить трансураны, облучая уран медленными нейтронами. Предполагалось, что ядро урана захватит один или два нейтрона, после чего претерпит бета-распад с рождением 93-го или 94-го элементов. Они даже поспешили объявить об открытии трансуранов, которые в 1938 году в своей Нобелевской речи Ферми назвал аусонием и гесперием. Однако немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман вместе с австрийским физиком Лизой Мейтнер вскоре показали, что Ферми ошибся: эти нуклиды были изотопами уже известных элементов, возникшими в результате расщепления ядер урана на пары осколков приблизительно одинаковой массы. Именно это открытие, совершенное в декабре 1938 года, сделало возможным создание ядерного реактора и атомной бомбы.Первым же синтезированным элементом стал вовсе не трансуран, а предсказанный еще Менделеевым экамарганец. Его искали в различных рудах, но безуспешно. А в 1937 году экамарганец, позднее названный технецием (от греческого??? - искусственный) был получен при обстреле молибденовой мишени ядрами дейтерия, разогнанными в циклотроне Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли.
Легкие снаряды
Элементы с 93-го до 101-го были получены при взаимодействии ядер урана либо следующих за ним трансуранов с нейтронами, дейтронами (ядрами дейтерия) или альфа-частицами (ядрами гелия). Первого успеха здесь добились американцы Эдвин Макмиллан и Филип Эйбелсон, которые в 1940 году синтезировали нептуний-239, отработав идею Ферми: захват ураном-238 медленных нейтронов и последующий бета-распад урана-239.Следующий, 94-й элемент - плутоний - впервые обнаружили при изучении бета-распада нептуния-238, полученного дейтронной бомбардировкой урана на циклотроне Калифорнийского университета в Беркли в начале 1941 года. А вскоре стало понятно, что плутоний-239 под действием медленных нейтронов делится не хуже урана-235 и может служить начинкой атомной бомбы. Поэтому все сведения о получении и свойствах этого элемента засекретили, и статья Макмиллана, Гленна Сиборга (за свои открытия они разделили Нобелевскую премию 1951 года) и их коллег с сообщением о втором трансуране появилась в печати лишь в 1946 году.Американские власти почти на шесть лет задержали и публикацию об открытии 95-го элемента, америция, который в конце 1944 года был выделен группой Сиборга из продуктов нейтронной бомбардировки плутония в ядерном реакторе. Несколькими месяцами ранее физики из этой же команды получили первый изотоп 96-го элемента с атомным весом 242, синтезированный при бомбардировке урана-239 ускоренными альфа-частицами. Его назвали кюрием в знак признания научных заслуг Пьера и Марии Кюри, открыв тем самым традицию наименования трансуранов в честь классиков физики и химии.60-дюймовый циклотрон Калифорнийского университета стал местом сотворения еще трех элементов, 97-го, 98-го и 101-го. Первые два назвали по месту рождения - берклием и калифорнием. Берклий был синтезирован в декабре 1949 года при обстреле альфа-частицами мишени из америция, калифорний - двумя месяцами позже при такой же бомбардировке кюрия. 99-й и 100-й элементы, эйнштейний и фермий, были обнаружены при радиохимическом анализе проб, собранных в районе атолла Эниветок, где 1 ноября 1952 года американцы взорвали десятимегатонный термоядерный заряд «Майк», оболочка которого была изготовлена из урана-238. Во время взрыва ядра урана поглощали до пятнадцати нейтронов, после чего претерпевали цепочки бета-распадов, которые и вели к образованию этих элементов. 101-й элемент, менделевий, был получен в начале 1955 года. Сиборг, Альберт Гиорсо, Бернард Харви, Грегори Чоппин и Стэнли Томсон подвергли альфа-частичной бомбардировке около миллиарда (это очень мало, но больше просто не было) атомов эйнштейния, электролитически нанесенных на золотую фольгу. Несмотря на чрезвычайно высокую плотность пучка (60 трлн альфа-частиц в секунду), было получено лишь 17 атомов менделевия, но при этом удалось установить их радиационные и химические свойства.
Тяжелые ионы
Менделевий стал последним трансураном, полученным с помощью нейтронов, дейтронов или альфа-частиц. Для получения следующих элементов требовались мишени из элемента номер 100 - фермия, которые тогда было невозможно изготовить (даже сейчас в ядерных реакторах фермий получают в нанограммовых количествах).Ученые пошли другим путем: использовали для бомбардировки мишеней ионизированные атомы, чьи ядра содержат более двух протонов (их называют тяжелыми ионами). Для разгона ионных пучков потребовались специализированные ускорители. Первую такую машину HILAC (Heavy Ion Linear Accelerator) запустили в Беркли в 1957 году, вторую, циклотрон У-300 - в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований в Дубне в 1960-м. Позднее в Дубне заработали и более мощные установки У-400 и У-400М. Еще один ускоритель UNILAC (Universal Linear Accelerator) с конца 1975 года действует в немецком Центре по исследованию тяжелых ионов имени Гельмгольца, в Виксхаузене, одном из районов Дармштадта.В ходе бомбардировок тяжелыми ионами мишеней из свинца, висмута, урана или трансуранов возникают сильно возбужденные (горячие) ядра, которые либо разваливаются, либо сбрасывают избыточную энергию посредством испускания (испарения) нейтронов. Иногда эти ядра испускают один-два нейтрона, после чего претерпевают и другие превращения - например, альфа-распад. Такой тип синтеза называется холодным. В Дармштадте с его помощью получили элементы с номерами от 107 (борий) до 112 (коперниций). Этим же способом в 2004 году японские физики создали один атом 113-го элемента (годом ранее он был получен в Дубне). При горячем синтезе новорожденные ядра теряют больше нейтронов - от трех до пяти. Этим способом в Беркли и в Дубне синтезировали элементы со 102-го (нобелий) до 106-го (сиборгий, в честь Гленна Сиборга, под руководством которого было создано девять новых элементов). Позднее в Дубне таким путем изготовили шесть самых массивных сверхтяжеловесов - с 113-го по 118-й. Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC, International Union of Pure and Applied Chemistry) пока утвердил лишь имена 114-го (флеровий) и 116-го (ливерморий) элементов.
Всего три атома
118-й элемент с временным названием унуноктий и символом Uuo (по правилам IUPAC, временные имена элементов образуются от латинских и греческих корней названий цифр их атомного номера, un-un-oct (ium) - 118) был создан совместными усилиями двух научных групп: дубнинской под руководством Юрия Оганесяна и Ливерморской национальной лаборатории под руководством Кентона Муди, ученика Сиборга. Унуноктий в таблице Менделеева расположен под радоном и поэтому может быть благородным газом. Однако его химические свойства пока выяснить не удалось, поскольку физики создали лишь три атома этого элемента с массовым числом 294 (118 протонов, 176 нейтронов) и периодом полураспада около миллисекунды: два в 2002 году и один в 2005-м. Их получили бомбардировкой мишени из калифорния-249 (98 протонов, 151 нейтрон) ионами тяжелого изотопа кальция с атомной массой 48 (20 протонов и 28 нейтронов), разогнанными на ускорителе У-400. Общее число кальциевых «пуль» составило 4,1х1019, так что производительность дубнинского «унуноктиевого генератора» крайне мала. Однако, по словам Кентона Муди, У-400 - единственная в мире машина, на которой можно было синтезировать 118-й элемент.«Каждая серия опытов по синтезу трансуранов добавляет новую информацию о структуре ядерной материи, которую используют для моделирования свойств сверхтяжелых ядер. В частности, работы по синтезу 118-го элемента позволили отбросить несколько прежних моделей, - вспоминает Кентон Муди. - Мы сделали мишень из калифорния, поскольку более тяжелые элементы в нужных количествах были недоступны. Кальций-48 содержит восемь добавочных нейтронов по сравнению со своим основным изотопом кальцием-40. При слиянии его ядра с ядром калифорния образовывались ядра со 179 нейтронами. Они находились в сильно возбужденных и поэтому особо нестабильных состояниях, из которых быстро выходили, сбрасывая нейтроны. В результате мы получили изотоп 118-го элемента со 176 нейтронами. И это были настоящие нейтральные атомы с полным набором электронов! Живи они чуть подольше, можно было бы судить и об их химических свойствах».
Мафусаил номер 117
Элемент 117, он же унунсептий, был получен позже - в марте 2010 года. Этот элемент был рожден на той же машине У-400, где, как и раньше, обстреливали ионами кальция-48 мишень из берклия-249, синтезированного в Окриджской национальной лаборатории. При столкновении ядер берклия и кальция возникали сильно возбужденные ядра унунсептия-297 (117 протонов и 180 нейтронов). Экспериментаторам удалось получить шесть ядер, пять из которых испарили по четыре нейтрона и превратились в унунсептий-293, а оставшееся испустило три нейтрона и дало начало унунсептию-294.В сравнении с унуноктием унунсептий оказался настоящим Мафусаилом. Период полураспада более легкого изотопа - 14 миллисекунд, а более тяжелого - целых 78 миллисекунд! В 2012 году дубнинские физики получили еще пять атомов унунсептия-293, позже - несколько атомов обоих изотопов. Весной 2014 года ученые из Дармштадта сообщили о синтезе четырех ядер 117-го элемента, два из которых имели атомную массу 294. Период полураспада этого «тяжелого» унунсептия, измеренный немецкими учеными, составил около 51 миллисекунды (это хорошо согласуется с оценками ученых из Дубны).Сейчас в Дармштадте готовят проект нового линейного ускорителя тяжелых ионов на сверхпроводящих магнитах, который позволит провести синтез 119-го и 120-го элементов. Аналогичные планы осуществляют и в Дубне, где строится новый циклотрон ДС-280. Не исключено, что всего через несколько лет станет возможным синтез новых сверхтяжелых трансуранов. И сотворение 120-го, а то и 126-го элемента со 184 нейтронами и открытие острова стабильности станут реальностью.
Долгая жизнь на острове стабильности
Внутри ядер существуют протонные и нейтронные оболочки, в чем-то похожие на электронные оболочки атомов. Ядра с полностью заполненными оболочками особо устойчивы по отношению к спонтанным превращениям. Числа нейтронов и протонов, соответствующих таким оболочкам, называются магическими. Некоторые из них определены экспериментально - это 2, 8, 20 и 28.
Оболочечные модели позволяют вычислить «магические числа» сверхтяжелых ядер и теоретически - правда, без полной гарантии. Есть основания ожидать, что нейтронное число 184 окажется магическим. Ему могут соответствовать протонные числа 114, 120 и 126, причем последнее опять-таки должно быть магическим. Если это так, то изотопы 114-го, 120-го и 126-го элементов, содержащие по 184 нейтрона, будут жить куда дольше своих соседей по таблице Менделеева - минуты, часы, а то и годы (эту область таблицы принято называть островом стабильности). Самые большие надежды ученые возлагают на последний изотоп с дважды магическим ядром.
Дубнинский метод
При попадании тяжелого иона в область ядерных сил мишени может образоваться составное ядро в возбужденном состоянии. Оно либо распадается на осколки примерно равной массы, либо испускает (испаряет) несколько нейтронов и переходит в основное (невозбужденное) состояние.
«Элементы со 113-го по 118-й созданы на основе замечательного метода, разработанного в Дубне под руководством Юрия Оганесяна, - объясняет участник дармштадской команды Александр Якушев. - Вместо никеля и цинка, применявшихся для обстрела мишеней в Дармштадте, Оганесян взял изотоп с куда меньшей атомной массой - кальций-48. Дело в том, что использование легких ядер повышает вероятность их слияния с ядрами мишени. Ядро кальция-48 к тому же дважды магическое, поскольку сложено из 20 протонов и 28 нейтронов. Поэтому выбор Оганесяна сильно способствовал выживанию составных ядер, возникающих при обстреле мишени. Ведь ядро может сбросить несколько нейтронов и дать начало новому трансурану только в том случае, если оно сразу после рождения не разваливается на осколки. Чтобы синтезировать таким образом сверхтяжелые элементы, дубнинские физики делали мишени из наработанных в США трансуранов - сначала плутония, потом америция, кюрия, калифорния и, наконец, берклия. Кальция-48 в природе всего 0,7%. Его извлекают на электромагнитных сепараторах, это дорогая процедура. Один миллиграмм этого изотопа стоит около $200. Этого количества хватает на час-другой обстрела мишени, а эксперименты длятся месяцами. Сами мишени еще дороже, их цена достигает миллиона долларов. Оплата счетов за электричество тоже встает в копеечку - ускорители тяжелых ионов потребляют мегаваттные мощности. В общем, синтез сверхтяжелых элементов - удовольствие не из дешевых».